(57)【要約】  指向性カラーフィルタ及び裸眼３Ｄディスプレイ装置。指向性カラーフィルタは、カラーフィルタ（１）及び指向性機能構造層（２）を含む、ここで、カラーフィルタ（１）は、複数の光フィルタリングユニット（１０）を含み、各光フィルタリングユニット（１０）は、異なる色を有する少なくとも３つの光フィルタリングサブユニット（１００）を含む；指向性機能構造層（２）は、複数の構造ユニット（２０）を含み、各構造ユニット（２０）及び１の光フィルタリングユニット（１０）は対応して配置されている；各構造ユニット（２０）は、少なくとも３つの構造サブユニット（２００）を含む；各構造サブユニット（２００）及び１の光フィルタリングサブユニット（１００）は対応して配置されている；各構造サブユニット（２００）は、複数のナノ回折格子（２０００）を含む；同じ構造サブユニット（２００）内のナノ回折格子（２０００）の周期及び方向角は異なっており、同じナノ回折格子（２０００）が２色の光を出射することによる光線のクロストークの問題が生じないようになっている。指向性カラーフィルタは、技術的に実現が容易であり、指向性バックライト技術に基づいて視覚疲労のないマルチビュー裸眼３Ｄディスプレイ装置のより容易な実用化が可能となる。
2019502941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含む指向性カラーフィルタ：
複数のフィルタリングユニットを含むカラーフィルタ、ここで、前記フィルタリングユニットのそれぞれは、異なる色のための少なくとも３つのフィルタリングサブユニットを含み、同じ色のためのフィルタリングサブユニットを透過した光の色は同じである；
前記カラーフィルタの発光面上に配置され、複数の構造ユニットを含む指向性機能構造層、ここで、前記構造ユニットのそれぞれは、前記フィルタリングユニットの１つに対応して配置されており、前記構造ユニットのそれぞれは、少なくとも３つの構造サブユニットを含み、前記構造サブユニットのそれぞれは、前記フィルタリングサブユニットの１つに対応して配置されている、ここで、前記フィルタリングサブユニットのそれぞれを透過した光は前記構造サブユニットのうちの対応する１つに入射する、
ここで、前記構造サブユニットのそれぞれは、複数のナノメートル回折格子を含む；同じ構造サブユニット内のナノメートル回折格子は、異なる周期及び異なる方向角を有する、ここで、同じ構造サブユニットを透過した同じ色の光は、異なる視角を有する；異なる色のためのフィルタリングサブユニットに対応する同じフィルタリングユニット内の構造サブユニットにおいて同じ位置にあるナノメートル回折格子は、異なる周期及び異なる方向角を有する、ここで、同じ視角を有する画像を合成するための異なる色の光は、同じ視角を有する。
【請求項２】
請求項１に記載の指向性カラーフィルタ、ここで、
前記フィルタリングユニットは、赤色フィルタリングサブユニット、緑色フィルタリングサブユニット及び青色フィルタリングサブユニットを含み、前記赤色フィルタリングサブユニットは赤色光のみを透過させ、前記緑色フィルタリングサブユニットは緑色光のみを透過させ、前記青色フィルタリングサブユニットは青色光のみを透過させる；
前記構造ユニットは、第１構造サブユニット、第２構造サブユニット及び第３構造サブユニットを含み、前記第１構造サブユニットは前記赤色フィルタリングサブユニットに対応して配置されており、前記第２構造サブユニットは前記緑色フィルタリングサブユニットに対応して配置されており、前記第３構造サブユニットは前記青色フィルタリングサブユニットに対応して配置されている。
【請求項３】
請求項２に記載の指向性カラーフィルタ、ここで、前記ナノメートル回折格子の周期及び方向角は、入射光の波長及び入射角とともに回折光の回折角及び回折方位角に基づいて定められている。
【請求項４】
請求項１に記載の指向性カラーフィルタ、ここで、前記指向性カラーフィルタは、フォトリソグラフィ技術、紫外線連続可変空間周波数フォトリソグラフィ技術又はナノインプリント技術によって製造されている。
【請求項５】
請求項１に記載の指向性カラーフィルタ、ここで、前記指向性カラーフィルタの視点は、１５０°以上のフィールド角を有する。
【請求項６】
請求項１に記載の指向性カラーフィルタ、ここで、前記指向性カラーフィルタにおける前記ナノメートル回折格子の周期は、３００ｎｍから３μｍまでの範囲にある。
【請求項７】
以下を含む裸眼３Ｄディスプレイデバイス：
請求項１〜６のいずれか１項に記載の指向性カラーフィルタ、ここで、前記指向性カラーフィルタは、前記フィルタリングサブユニット及び対応する前記構造サブユニットを透過したレーザ光の位相を調整する、ここで、同じフィルタリングサブユニットを透過した同じ色の光は異なる視角を有し、同じ視角を有する画像を合成するための異なる色の光は同じ視角を有する；
前記指向性カラーフィルタの光入射側に配置され、少なくとも３種類のレーザポイント光源を含む光源アレイ、ここで、異なる種類のレーザポイント光源は異なる色のレーザ光を出射し、前記レーザポイント光源は、所定の角度で前記指向性カラーフィルタに入射されるレーザ光を所定の位置で出射するように構成されている；
前記指向性カラーフィルタの光出射側に配置され、複数の画素ユニットを含む液晶表示パネル、ここで、画素ユニットのそれぞれは少なくとも３つのサブ画素を含み、前記画素ユニットのそれぞれは前記フィルタリングユニットの１つに対応して配置され、同じ画素ユニット内のサブ画素は、前記画素ユニットに対応する前記フィルタリングユニット内のフィルタリングサブユニットに１対１対応で対応して配置されている；前記液晶表示パネルは、前記サブ画素を透過したレーザ光の振幅を調整する、ここで、異なる色を有して同じ視角を有する光は同じ視角を有する画像を合成し、異なる視角を有する画像は３Ｄディスプレイ画像を合成する。
【請求項８】
請求項７に記載の裸眼３Ｄディスプレイデバイス、ここで、前記レーザポイント光源は、以下を含む：
前記レーザ光を出射するように構成されたレーザデバイス；
前記レーザデバイスの発光経路上に配置されたレーザビームエキスパンダ、ここで、前記レーザビームエキスパンダは、前記レーザ光の径を拡大するように構成されている、ここで、前記レーザ光は、前記指向性カラーフィルタのパネル全体に照射される。
【請求項９】
請求項８に記載の裸眼３Ｄディスプレイデバイス、ここで、前記光源アレイは、赤色光を出射する赤色レーザポイント光源、緑色光を出射する緑色レーザポイント光源及び青色光を出射する青色レーザポイント光源を含む。
【請求項１０】
請求項９に記載の裸眼３Ｄディスプレイデバイス、ここで、
異なる色のための前記少なくとも３つのフィルタリングサブユニットは、赤色フィルタリングサブユニット、緑色フィルタリングサブユニット及び青色フィルタリングサブユニットを含み、前記赤色フィルタリングサブユニットは赤色レーザ光のみを透過させ、前記緑色フィルタリングサブユニットは緑色レーザ光のみを透過させ、前記青色フィルタリングサブユニットは青色レーザ光のみを透過させる；
前記少なくとも３つの構造サブユニットは、第１構造サブユニット、第２構造サブユニット及び第３構造サブユニットを含む；
前記少なくとも３つのサブ画素は、赤色サブ画素、緑色サブ画素及び青色サブ画素を含む；
前記赤色サブ画素は、前記第１構造サブユニット及び前記赤色フィルタリングサブユニットに対応して配置されており、前記緑色サブ画素は、前記第２構造サブユニット及び前記緑色フィルタリングサブユニットに対応して配置されており、前記青色サブ画素は、前記第３構造サブユニット及び前記青色フィルタリングサブユニットに対応して配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１５年１１月１３日付で中華人民共和国国家知識産権局に出願された中国特許出願第２０１５１０７７８０８６．５号「指向性カラーフィルタ及び裸眼３Ｄディスプレイ装置」に対する優先権を主張するものであり、本願においてその全文を援用している。
【０００２】
本開示は、ステレオディスプレイの技術分野に関し、特に、指向性カラーフィルタ及び裸眼３Ｄディスプレイデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
３Ｄディスプレイ技術により、画面がより立体的でリアリティが溢れ、観客に没入感を与えるようになっている。このようにして、３Ｄディスプレイ技術はますます盛んになっている。
【０００４】
３Ｄディスプレイ技術の原理を以下に説明する。人の左右の眼がそれぞれ異なる視差画像を受け取ると、脳が視差画像を重ね合わせて前後方向、左右方向、上下方向及び遠近方向といった三次元方向の画像を形成する。従来技術の視差原理に基づいて多種多様な裸眼３Ｄディスプレイデバイスが開発されてきた。しかしながら、既存の裸眼３Ｄディスプレイデバイスは、画像のクロストークによる視覚疲労の誘発や、視角が狭いなどの問題を抱えている。したがって、既存の裸眼３Ｄディスプレイデバイスは、家電製品分野に本格的に参入しているとはいえない。
【０００５】
従来技術においては、新規の３Ｄディスプレイ技術、すなわち指向性バックライト技術が開発されている。指向性バックライト技術によると、導光板に特別に設計された構造を加えて光を様々な方向に透過させることで、より大きい視角を持つ視差照明を形成する。例えば、ＣＮ２０１４１０１８７５３４．Ｘで提案されている裸眼３Ｄバックライトモジュールは、１組以上のＬＥＤタイミング光源セットを凸レンズ、多角形プリズム及び視差バリアと組み合わせ、マルチビュー３Ｄディスプレイを完成している。しかしながら、バックライトモジュールのレンズ、プリズム及びその他の構造の設計及び精密加工精度の技術的実現は困難である。さらに、２つの光源から出射された光が視差バリアの同領域に入射する場合、２色の光が該領域から同時に出射することになり、同領域から出射された２色の光の間でクロストークが生じてしまう。よって、指向性バックライト技術に基づいた裸眼３Ｄディスプレイデバイスは、未だ実用化されていないのが現状である。
【発明の概要】
【０００６】
これに鑑みて、本開示によれば、指向性カラーフィルタ及び裸眼３Ｄディスプレイデバイスが提供され、バックライトモジュールのレンズ、プリズム及びその他の構造の設計及び精密加工精度の技術的実現が難しく、光線のクロストークが生じやすいという従来技術の問題点を解決する。
【０００７】
上記の目的を達成するために、以下の技術的解決策が本開示によれば提供される。
【０００８】
以下を含む指向性カラーフィルタが提供される：カラーフィルタ及び指向性機能構造層；
カラーフィルタは、複数のフィルタリングユニットを含む、ここで、フィルタリングユニットのそれぞれは、異なる色のための少なくとも３つのフィルタリングサブユニットを含み、同じ色のためのフィルタリングサブユニットを透過した光の色は同じである；
指向性機能構造層は、カラーフィルタの発光面上に配置されており、複数の構造ユニットを含んでいる、ここで、構造ユニットのそれぞれはフィルタリングユニットの１つに対応して配置されており、構造ユニットのそれぞれは少なくとも３つの構造サブユニットを含み、構造サブユニットのそれぞれはフィルタリングサブユニットの１つに対応して配置され、フィルタリングサブユニットのそれぞれを透過した光は構造サブユニットのうちの対応する一つに入射するようになっている、
ここで、構造サブユニットのそれぞれは、複数のナノメートル回折格子を含む；同じ構造サブユニット内のナノメートル回折格子は、異なる周期及び異なる方向角を有し、同じ構造サブユニットを透過した同じ色の光は、異なる視角を有するようになっている；異なる色のためのフィルタリングサブユニットに対応する同じフィルタリングユニット内の構造サブユニットにおいて同じ位置にあるナノメートル回折格子は、異なる周期及び異なる方向角を有し、同じ視角を有する画像を合成するための異なる色の光は、同じ視角を有するようになっている。
【０００９】
好ましくは、フィルタリングユニットは、赤色フィルタリングサブユニット、緑色フィルタリングサブユニット及び青色フィルタリングサブユニットを含んでいてもよく、赤色フィルタリングサブユニットは赤色光のみを透過させ、緑色フィルタリングサブユニットは緑色光のみを透過させ、青色フィルタリングサブユニットは青色光のみを透過させる；
構造ユニットは、第１構造サブユニット、第２構造サブユニット及び第３構造サブユニットを含んでいてもよく、第１構造サブユニットは赤色フィルタリングサブユニットに対応して配置されており、第２構造サブユニットは緑色フィルタリングサブユニットに対応して配置されており、第３構造サブユニットは青色フィルタリングサブユニットに対応して配置されている。
【００１０】
好ましくは、ナノメートル回折格子の周期及び方向角は、入射光の波長及び入射角とともに回折光の回折角及び回折方位角に基づいて定められていてもよい。
【００１１】
好ましくは、指向性カラーフィルタは、フォトリソグラフィ技術、紫外線連続可変空間周波数フォトリソグラフィ技術又はナノインプリント技術によって製造されていてもよい。
【００１２】
好ましくは、指向性カラーフィルタの視点は、１５０°以上のフィールド角を有していてもよい。
【００１３】
好ましくは、指向性カラーフィルタにおけるナノメートル回折格子の周期は、３００ｎｍから３μｍまでの範囲にあってもよい。
【００１４】
以下を含む裸眼３Ｄディスプレイデバイスが提供される：上記指向性カラーフィルタ、光源アレイ及び液晶表示パネル；
指向性カラーフィルタは、フィルタリングサブユニット及び対応する構造サブユニットを透過したレーザ光の位相を調整して、同じフィルタリングサブユニットを透過した同じ色の光は異なる視角を有するようにし、同じ視角を有する画像を合成するための異なるカラーの光は同じ視角を有するようにする；
光源アレイは、指向性カラーフィルタの光入射側に配置され、少なくとも３種類のレーザポイント光源を含む、ここで、異なる種類のレーザポイント光源は異なる色のレーザ光を出射し、レーザポイント光源は、所定の角度で指向性カラーフィルタに入射されるレーザ光を所定の位置で出射するように構成されている；
液晶表示パネルは、指向性カラーフィルタの光出射側に配置され、複数の画素ユニットを含む、ここで、画素ユニットのそれぞれは少なくとも３つのサブ画素を含み、画素ユニットのそれぞれはフィルタリングユニットの１つに対応して配置され、同じ画素ユニット内のサブ画素は、画素ユニットに対応するフィルタリングユニット内のフィルタリングサブユニットに１対１対応で対応して配置されている、ここで、液晶表示パネルは、サブ画素を透過したレーザ光の振幅を調整して、異なる色を有して同じ視角を有する光は同じ視角を有する画像を合成するようにし、異なる視角を有する画像は３Ｄディスプレイ画像を合成するようにする。
【００１５】
好ましくは、レーザポイント光源は、以下を含んでいてもよい：レーザデバイス及びレーザビームエキスパンダ；
レーザデバイスは、レーザ光を出射するように構成されている；
レーザビームエキスパンダは、レーザデバイスの発光経路上に配置されており、レーザビームエキスパンダは、レーザ光の径を拡大して、指向性カラーフィルタのパネル全体にレーザ光が照射されるように構成されている。
【００１６】
好ましくは、光源アレイは、赤色光を出射する赤色レーザポイント光源、緑色光を出射する緑色ポイントレーザ光源及び青色光を出射する青色レーザポイント光源を含んでいてもよい。
【００１７】
好ましくは、異なる色のための少なくとも３つのフィルタリングサブユニットは、赤色フィルタリングサブユニット、緑色フィルタリングサブユニット及び青色フィルタリングサブユニットを含んでいてもよく、赤色フィルタリングサブユニットは赤色レーザ光のみを透過させ、緑色フィルタリングサブユニットは緑色レーザ光のみを透過させ、青色フィルタリングサブユニットは青色レーザ光のみを透過させる；
少なくとも３つの構造サブユニットは、第１構造サブユニット、第２構造サブユニット及び第３構造サブユニットを含んでいてもよい；
少なくとも３つのサブ画素は、赤色サブ画素、緑色サブ画素及び青色サブ画素を含んでいてもよい；
赤色サブ画素は、第１構造サブユニット及び赤色フィルタリングサブユニットに対応して配置されており、緑色サブ画素は、第２構造サブユニット及び緑色フィルタリングサブユニットに対応して配置されており、青色サブ画素は、第３構造サブユニット及び青色フィルタリングサブユニットに対応して配置されている。
【００１８】
本開示の技術的解決策は、従来技術と比べ、下記の利点を有する。
【００１９】
本開示の指向性カラーフィルタ及び裸眼３Ｄディスプレイデバイスによると、指向性機能構造層のナノメートル回折格子に光が入射する前に、対応するフィルタリングサブユニットによる光のダイクロイックフィルタリングを行い、同じナノメートル回折格子から２色の光が出射されないようにし、これによって出射光のクロストークを回避する。
【００２０】
さらに、本開示では、レンズ又はプリズムといった高精度の構造を導入する必要がないので、指向性カラーフィルタを容易に実現することができる。このため、指向性バックライト技術に基づいて無疲労のマルチビュー裸眼３Ｄディスプレイデバイスを実用化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本開示の実施形態又は従来技術における技術的解決策をより明確に示すために、実施形態又は従来技術の説明に使用される図面を簡略に説明する。以下の説明における当該図面は、本開示の一部の実施形態を図示しているものに過ぎず、当業者であれば、創造的活動をすることなく、他の実施形態を示す他の図面を容易に得ることができる。
【００２２】
【図１】本開示の一実施形態による指向性カラーフィルタの概略断面構造図である。
【００２３】
【図２】本開示の一実施形態による指向性カラーフィルタの概略平面構造図である。
【００２４】
【図３】図１に示された指向性カラーフィルタにおけるカラーフィルタの概略平面構造図である。
【００２５】
【図４】図１に示された指向性カラーフィルタにおける指向性機能構造層の概略平面構造図である。
【００２６】
【図５】図４に示された指向性機能構造層の部分拡大図である。
【００２７】
【図６】図４に示されたナノメートル回折格子のＸ−Ｙ平面における構造図である。
【００２８】
【図７】図４に示されたナノメートル回折格子のＸ−Ｚ平面における構造図である。
【００２９】
【図８】本開示の一実施形態による裸眼３Ｄディスプレイデバイスの概略断面構造図である。
【００３０】
【図９】図８に示された裸眼３Ｄディスプレイデバイスにおける液晶表示パネルの概略平面構造図である。
【００３１】
【図１０】図８に示された裸眼３Ｄディスプレイデバイスの光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本開示の実施形態における技術的解決策を、以下で本開示の実施形態における図面とともに明確且つ完全に説明する。以下に記載の実施形態は、実施形態のすべてというよりも、本開示の一部の実施形態に過ぎないことは明らかである。本開示の実施形態に基づいて創造的活動をすることなく当業者によって得られる他のすべての実施形態は、本開示の保護範囲に含まれる。
【００３３】
本開示の一実施形態にしがって、指向性カラーフィルタが提供される。図１及び図２を参照する。図１は、指向性カラーフィルタの概略断面構造図であり、図２は、指向性カラーフィルタの概略平面構造図である。指向性カラーフィルタは、カラーフィルタ１及びカラーフィルタ１の発光面上に配置された指向性機能構造層２を含む。
【００３４】
図３を参照すると、カラーフィルタ１は、アレイ状に配置された複数のフィルタリングユニット１０を含む。各フィルタリングユニット１０は、異なる色のための少なくとも３つのフィルタリングサブユニット１００を含む。同じ色のためのフィルタリングサブユニット１００を透過する光の色は同じである。
【００３５】
具体的には、フィルタリングユニット１０は、異なる色のための３つのフィルタリングサブユニット１００を含んでもよい。３つのフィルタリングサブユニットは、赤色フィルタリングサブユニットＲ１、緑色フィルタリングサブユニットＧ１及び青色フィルタリングサブユニットＢ１を含んでいてもよい。赤色フィルタリングサブユニットＲ１は赤色光のみを透過させ、緑色フィルタリングサブユニットＧ１は緑色光のみを透過させ、青色フィルタリングサブユニットＢ１は青色光のみを透過させる。つまり、赤色フィルタリングサブユニットＲ１の領域に配置された膜は赤色光のみを透過させ、他の色の光を透過させることができず、緑色フィルタリングサブユニットＲ１の領域に配置された膜は緑色光のみを透過させ、他の色の光を透過させることができず、青色フィルタリングサブユニットＢ１の領域に配置された膜は青色光のみを透過させ、他の色の光を透過させることができない。実際には、本開示はこれに限定されない。例えば、他の実施形態では、フィルタリングユニットは、赤色フィルタリングサブユニット、緑色フィルタリングサブユニット、青色フィルタリングサブユニット及び白色フィルタリングサブユニットを含む４つのフィルタリングサブユニットを含んでもよい。
【００３６】
図４を参照すると、指向性機能構造層２は、アレイ状に配置された複数の構造ユニット２０を含む。各構造ユニット２０は、一のフィルタリングユニット１０に対応して配置され、各構造ユニット２０は、少なくとも３つの構造サブユニット２００を含む。各構造サブユニット２００は、一のフィルタリングサブユニット１００に対応して配置され、各フィルタリングサブユニット１００を透過した同じ色の光は、対応する構造サブユニット２００に入射するようになっている。本実施形態においては、対応する配置とは、指向性カラーフィルタのパネルに垂直な方向において、フィルタリングサブユニット１００の投影像が構造サブユニット２００の投影像を完全に覆うか、或いは、フィルタリングユニット１０の投影像が構造ユニット２０の投影像を完全に覆うものと理解される。
【００３７】
本実施形態では、各構造サブユニット２００は、ナノメートルスケールでアレイ状に配列された複数の回折格子、すなわちナノメートル回折格子２０００を含む。同じ構造サブユニット２００内のナノメートル回折格子２０００は、異なる周期及び異なる方向角を有し、同じ構造サブユニット２００を透過した同じ色の光は、異なる視角を有するように、つまり、透過光が異なる方向に伝播するようになっている。異なる色のためのフィルタリングサブユニット１００に対応する同じ構造ユニット２０内の構造サブユニット２００において同じ位置にあるナノメートル回折格子２０００は、異なる周期及び異なる方向角を有し、同じ視角を有する画像を合成するための異なる色の光が同じ視角を有するようになっている。
【００３８】
図５を参照して、各構造ユニット２０は、第１構造サブユニット２００ａ、第２構造サブユニット２００ｂ及び第３構造サブユニット２００ｃを含む３つの構造サブユニット２００を含み、第１構造サブユニット２００ａは、赤色フィルタリングサブユニットＲ１に対応して配置され、第２構造サブユニット２００ｂは、緑色フィルタリングサブユニットＧ１に対応して配置され、第３構造サブユニット２００ｃは、青色フィルタリングサブユニットＢ１に対応して配置されていると仮定する。
【００３９】
さらに、３つの構造サブユニットのそれぞれは、２×２のナノメートル回折格子を含む。つまり、第１構造サブユニット２００ａは、４つのナノメートル回折格子２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃ及び２００１ｄを含む。第２構造サブユニット２００ｂは、４つのナノメートル回折格子２００２ａ、２００２ｂ、２００２ｃ及び２００２ｄを含む。第３構造サブユニット２００ｃは、４つのナノメートル回折格子２００３ａ、２００３ｂ、２００３ｃ及び２００３ｄを含む。
【００４０】
４つのナノメートル回折格子２００１ａ、２００１ｂ、２００１ｃ及び２００１ｄは、異なる周期及び異なる方向角を有し、４つのナノメートル回折格子を透過した赤色光は、４つの異なる視角を有するようになっている。４つのナノメートル回折格子２００２ａ、２００２ｂ、２００２ｃ及び２００２ｄは、異なる周期及び異なる方向角を有し、４つのナノメートル回折格子を透過した緑色光は、４つの異なる視角を有するようになっている。４つのナノメートル回折格子２００３ａ、２００３ｂ、２００３ｃ及び２００３ｄは、異なる周期及び異なる方向角を有し、４つのナノメートル回折格子を透過した青色光は、４つの異なる視角を有するようになっている。
【００４１】
さらに、３つのナノメートル回折格子２００１ａ、２００２ａ及び２００３ａは、異なる周期及び異なる方向角を有し、３つのナノメートル回折格子２００１ｂ、２００２ｂ及び２００３ｂは、異なる周期及び異なる方向角を有し、３つのナノメートル回折格子２００１ｃ、２００２ｃ及び２００３ｃは、異なる周期及び異なる方向角を有し、３つのナノメートル回折格子２００１ｄ、２００２ｄ及び２００３ｄは、異なる周期及び異なる方向角を有し、同じ視角を有する画像を合成するための異なる色の光が同じ視角を有するようになっている。
【００４２】
異なる構造サブユニット２００の同じ位置にあるナノメートル回折格子により出射された光は、１つの視点に集光して、同じ視角を有する画像のための光源を提供する。図５を参照すると、３つのナノメートル回折格子２００１ａ、２００２ａ及び２００３ａにより出射された光は、同じ視角を有し、視点１に集光させることができ、３つのナノメートル回折格子２００１ｂ、２００２ｂ及び２００３ｂにより出射された光は、視点２に集光させることができ、３つのナノメートル回折格子２００１ｃ、２００２ｃ及び２００３ｃにより出射された光は、視点３に集光させることができ、３つのナノメートル回折格子２００１ｄ、２００２ｄ及び２００３ｄにより出射された光は、視点４に集光させることができる。つまり、図５に示された指向性カラーフィルタは、４つの異なる視角を有する画像のための光源を提供することができる。
【００４３】
本実施形態では、指向性カラーフィルタの視点の数は、各構造サブユニット内のナノメートル回折格子の数に対応する。視点が２つである場合、各構造サブユニットはナノメートル回折格子を２つ含む。視点が４つである場合、各構造サブユニットは、２×２（つまり４つ）のナノメートル回折格子を含む。視点が９つである場合、各構造サブユニットは、３×３（つまり９つ）のナノメートル回折格子を含む。本実施形態の指向性カラーフィルタにより形成される３Ｄ画像の表示解像度は、一般２Ｄ画像の表示解像度の少なくとも３倍であることが分かる。
【００４４】
第１構造サブユニット２００ａを透過した赤色光、第２構造サブユニット２００ｂを透過した緑色光及び第３構造サブユニット２００ｃを透過する青色光は、異なる波長を有する。したがって、３つの構造サブユニットの同じ位置にあるナノメートル回折格子が同じ周期及び同じ方向角を有する場合、例えば、ナノワイヤ回折格子２００１ａ、２００２ａ及び２００３ａが同じ周期及び同じ方向角を有する場合、ナノメートル回折格子２００１ａを透過した赤色光、ナノメートル回折格子２００２ａを透過した緑色光及びナノメートル回折格子２００３ａを透過した青色光は、異なる回折角を有するので、その結果、ナノメートル回折格子２００１ａにより出射された赤色光、ナノメートル回折格子２００２ａにより出射された緑色光及びナノメートル回折格子２００３ａにより出射された青色光は、同じ焦点に集光されない。つまり、３つの色の光は異なる視角を有し、したがって、３つの色の光は、三原色理論により、同じ視角を有するカラー画像を合成することができない。
【００４５】
つまり、本実施形態では、第１構造サブユニット２００ａ内のナノメートル回折格子の周期及び方向角は、赤色フィルタリングサブユニットＲ１を透過する赤色光の波長及び入射角に基づいて対応して設定される。第２構造サブユニット２００ｂ内のナノメートル回折格子の周期及び方向角は、緑色フィルタリングサブユニットＧ１を透過する緑色光の波長及び入射角に基づいて対応して設定される。第３構造サブユニット２００ｃにおけるナノメートル回折格子の周期及び方向角は、青色フィルタリングサブユニットＢ１を透過する青色光の波長及び入射角に基づいて対応して設定される。
【００４６】
具体的には、ナノメートル回折格子の周期及び方向角は、入射光の波長及び入射角とともに回折光の回折角及び回折方位角に基づいて定められる。ナノメートル回折格子２００１ａを一例とし、図６及び図７を参照する。図６は、Ｘ−Ｙ平面におけるナノメートル回折格子２００１ａの構造図であり、図７は、Ｘ−Ｚ平面におけるナノメートル回折格子２００１ａの構造図である。格子方程式によると、ナノメートル回折格子の周期及び方向角は、下記の関係を満たす。
【数１】
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ここで、入射光Ａは、ある入射角でナノメートル回折格子に入射し、θ１は、ナノメートル回折格子により出射される回折光Ｂの回折角、つまり回折光とＺ軸正方向の間の角度を表し、Φ１は回折光Ｂの方位角、つまり回折光とｘ軸正方向の間の角度を表し、θは入射光Ａの入射角、つまり入射光とＺ軸正方向の間の角度を表し、λは入射光Ａの波長を表し、Λはナノメートル回折格子の周期を表し、Φはナノメートル回折格子の方向角、つまりナノメートル回折格子の溝に沿った方向とｙ軸正方向の間の角度を表し、ｎは媒質中の入射光Ａの屈折率を表す。
【００４７】
つまり、入射光の波長及び入射角とともに回折光の回折角及び回折方位角が定められた後、上記２つの式からナノメートル回折格子の周期及び方向角を算出することができる。例えば、波長６５０ｎｍの赤色光が６０°の角度で入射し、回折光の回折角が１０°と設定され、回折光の回折方位角が４５°と設定されたと仮定する。ナノメートル回折格子の算出された周期は５５０ナノメートルであり、算出された方向角は−５．９６°である。
【００４８】
各構造ユニットにおけるナノメートル回折格子の周期及び方向角は、上記の原理に従って設定される。ナノメートル回折格子は単一のオフアクシスフレネル構造に相当するので、構造サブユニットの同じ位置にてナノメートル回折格子により出射された光は、同じ視角を有する画像を合成するように１つの視点に集光することができる。各構造サブユニットがｎ×ｍのナノメートル回折格子を含む場合、ｎ×ｍのナノメートル回折格子は、異なる焦点を有するｎ×ｍオフアクシスフレネル構造を形成し、ｎ×ｍ個の異なる視点を得る。さらに、色及びグレースケールは、液晶表示パネルによって制御することができる。上記に基づき、マルチビュー裸眼３Ｄホログラフィー像を表示できる。ここで、ｎは１以上の自然数であり、ｍは２以上の自然数である。
【００４９】
ホログラフィー像は、振幅情報及び位相情報を含む画像である。異なる視角における画像全体を、異なる空間観測点から観察することができる。さらに、画像は、相互に干渉しない。この場合、視覚疲労を生じさせずに三次元情報を忠実に再現することができ、立体表示効果が観察者の観察距離に左右されない。したがって、本実施形態の指向性カラーフィルタは、レーザ光源及び液晶表示パネルと組み合わせて用いることができ、視覚疲労を生じさせることなく、マルチビュー裸眼３Ｄ表示効果を成し遂げることができる。
【００５０】
本実施形態では、指向性機能構造層２をカラーフィルタ１上に直接作製してもよいし、又は指向性機能構造層２をカラーフィルタ１に接合してもよい。カラーフィルタ１を含む指向性カラーフィルタにより形成された３Ｄ画像を見るときに、見る位置が上下に変化したとしても、表示された３Ｄ画像にカラーホッピングが生じることはない。ダイクロイックフィルタリングなしに指向性機能構造層２にカラーフィルタ１を直接埋め込む場合、赤色光、緑色光及び青色光を同じ空間位置で結像することができる。しかしながら、ナノメートル回折格子の分散効果により、見る位置が上下に変化すると、光のクロストークが生じやすくなり、３Ｄ画像のカラーホッピングが生じる結果となる。
【００５１】
本実施形態では、指向性カラーフィルタは、フォトリソグラフィ技術、紫外線連続可変空間周波数フォトリソグラフィ技術又はナノインプリント技術により製造されてもよい。紫外線連続可変空間周波数フォトリソグラフィ技術は、ＣＮ２０１３１０１６６３４１．１に記載のフォトリソグラフィ装置及びフォトリソグラフィ技術を参照することで理解することができる。なお、本実施形態では、異なる方向を有するナノメートル回折格子をフォトリソグラフィにより製造してもよいし、インプリントのためのテンプレートを作製してもよい。続いて、ナノメートル回折格子により形成された構造単位アレイを、ナノインプリント技術により数回に分けてインプリントする。
【００５２】
本実施形態において、指向性カラーフィルタは、異なる視角の画像を合成するための光を観察位置の近傍に集光させ、空間内に生成された視点を分離させて水平分散観察光視野（ウィンドウ）を形成するように構成されている。指向性カラーフィルタの構造ユニットは、視角を有する画像内のサブ画素に対応する構造サブユニットを含む。構造サブユニットは、ホログラフィー原理に従って設計されたナノメートル回折格子のアレイを含む。アレイは、１組のナノメートル回折格子又は複数組のナノメートル回折格子により形成される回折アレイであってもよい。入射光に対して回折アレイを用いて波面変換を行うことができ、集光視点を形成するように回折光を表示画面の前方に投影することができる。このようにして、異なる視角を有する画像の間で空間クロストークが生じなくなる。
【００５３】
本実施形態の指向性カラーフィルタによれば、指向性機能構造層のナノメートル回折格子に光が入射する前にフィルタリングサブユニットによる光のダイクロイックフィルタリングを行って、同一のナノメートル回折格子から２色の光が出射されることがなくなるようになり、出射光のクロストークが回避される。さらに、本実施形態の指向性カラーフィルタは、レンズ又はプリズムといった高精度な構造で形成する必要がなく、指向性カラーフィルタが容易に実現されるようにすることができる。したがって、指向性バックライト技術に基づいて無疲労のマルチビュー裸眼３Ｄディスプレイデバイスの実用化が可能となる。
【００５４】
本開示の他の実施形態によれば、裸眼３Ｄディスプレイデバイスが提供される。図８に示されているように、裸眼３Ｄディスプレイデバイスは、指向性カラーフィルタ３、指向性カラーフィルタ３の光入射側に配置された光源アレイ４及び指向性カラーフィルタ３の光出射側に配置された液晶表示パネル５を含む。
【００５５】
光源アレイ４は、少なくとも３種類のレーザポイント光源を含む。異なる種類のレーザポイント光源は、異なる色のレーザ光を出射する。レーザポイント光源は、指向性カラーフィルタ３に所定の角度で入射するレーザ光を所定の位置で出射するように構成されている。本実施形態のレーザポイント光源は、レーザ光を出射するレーザデバイス及びレーザデバイスの発光経路上に配置されたレーザビームエキスパンダを含んでいる。レーザビームエキスパンダは、レーザ光の径を拡大するように構成され、レーザ光は指向性カラーフィルタ３のパネル全体に照射されるようになっている。
【００５６】
必要に応じて、本実施形態における光源アレイ４は、赤色光を出射する赤色レーザポイント光源４０、緑色光を出射する緑色レーザポイント光源４１及び青色光を出射する青色レーザポイント光源４２を含んでもよい。必要に応じて、指向性カラーフィルタ３の平面中心を原点としてもよく、指向性カラーフィルタ３の出射面に対して垂直で観測方向に向けられた方向をＺ軸正方向としてもよい。この場合、３つのレーザポイント光源は、Ｘ軸方向の原点に位置し、３つのレーザポイント光源は、Ｙ−Ｚ平面においてＹ軸方向の同じ位置及びＺ軸負方向の異なる位置に配置されている。指向性カラーフィルタ３におけるナノメートル回折格子の周期及び方向角は、レーザポイント光源の位置、出射光の波長及び出射光の角度、つまり光が指向性カラーフィルタに入射する角度の影響を受ける。したがって、レーザポイント光源が指向性カラーフィルタ３に所定の角度で入射するレーザ光を所定の位置で出射するとき、指向性カラーフィルタ３におけるナノメートル回折格子の周期及び方向角を決定することができる。
【００５７】
本実施形態における指向性カラーフィルタ３の構造及び機能は、上記実施形態における指向性カラーフィルタのそれらと同様である。図１から図４及びそれに関連する説明を参照することができ、詳細はここでは繰り返さない。指向性カラーフィルタ３は、フィルタリングサブユニット及び対応する構造サブユニットを透過した光の位相を調整し、同じフィルタリングサブユニットを透過した同じ色の光は異なる視角を有するようにし、同じ視角を有する画像を合成するための異なる色の光は同じ視角を有するようにする。
【００５８】
図９及び図３を参照すると、本実施形態の液晶表示パネル５は、複数の画素ユニット５０を含む。各画素ユニット５０は、少なくとも３つのサブ画素５００を含む。各画素ユニット５０は、フィルタリングユニット１０のうちの１つに対応して配置されている。同じ画素ユニット５０内のサブ画素５００は、対応するフィルタリングユニット１０内のフィルタリングサブユニット１００に１対１対応で対応して配置される。液晶表示パネルは、サブ画素５００を透過した光の振幅を調節し、異なる色を有して同じ視角を有する光は同じ視角を有する画像を合成するようにし、異なる視角を有する画像は３Ｄ表示画像を合成するようにする。
【００５９】
必要に応じて、図３、図５及び図９を参照すると、本実施形態の指向性カラーフィルタ３におけるフィルタリングユニット１０は、赤色フィルタリングサブユニットＲ１、緑色フィルタリングサブユニットＧ１及び青色フィルタリングサブユニットＢ１を含む３つのフィルタリングサブユニット１００を含んでもよい。赤色フィルタリングサブユニットＲ１は赤色光のみを透過させ、緑色フィルタリングサブユニットＧ１は緑色光のみを透過させ、青色フィルタリングサブユニットＢ１は青色光のみを透過させる。指向性カラーフィルタ３の構造ユニット２０は、第１構造サブユニット２００ａ、第２構造サブユニット２００ｂ及び第３構造サブユニット２００ｃを含む３つの構造サブユニット２００を含む。液晶表示パネル５の画素ユニット５０は、赤色サブ画素Ｒ２、緑色サブ画素Ｇ２及び青色サブ画素Ｂ２を含む３つのサブ画素５００を含む。赤色サブ画素Ｒ２は、第１構造サブユニット２００ａ及び赤色フィルタリングサブユニットＲ１に対応して配置される。緑色サブ画素Ｇ２は、第２構造サブユニット２００ｂ及び緑色フィルタリングサブユニットＧ１に対応して配置される。青色サブ画素Ｂ２は、第３構造サブユニット２００ｃ及び青色フィルタリングサブユニットＢ１に対応して配置される。
【００６０】
図５及び図１０を例として、第１構造サブユニット２００ａはナノメートル回折格子２００１ａから２００１ｄを含み、第２構造サブユニット２００ｂはナノメートル回折格子２００２ａから２００２ｄを含み、第３構造サブユニット２００ｃはナノメートル回折格子２００３ａから２００３ｄを含む。さらに、２００１ａ、２００２ａ及び２００３ａは視点１に対応する。２００１ｂ、２００２ｂ及び２００３ｂは視点２に対応する。２００１ｃ、２００２ｃ及び２００３ｃは視点３に対応する。２００１ｄ、２００２ｄ及び２００３ｄは視点４に対応する。このように、４つの視角を有する画像の視点は互いに離れており、各視点は１つの画像に対応する。
【００６１】
各視角の画像は、赤、緑及び青の３色にしたがって３つの単色画像に分離される。図１０に示されているように、赤色光を出射する赤色レーザポイント光源４０は、拡散され、その後、指向性カラーフィルタ３に投影される。指向性カラーフィルタ３上の赤色フィルタリングサブユニットＲ１のみが赤色光を透過させることができ、赤色フィルタリングサブユニットＲ１は、赤色光を、指向性機能構造層上の赤色フィルタリングサブユニットＲ１に対応する構造サブユニットに透過させる。構造サブユニットは、４つのナノメートル回折格子２００１ａから２００１ｄを含み、構造サブユニットを透過した赤色光は、液晶表示パネル５の前方に一定の距離をおいて同一水平線上の４つの焦点に集光するようになっている。画像は、液晶表示パネル上の赤色サブ画素によって複数の角度で分離され、赤色レーザポイント光源４０に基づく単色の裸眼３Ｄ画像を形成する。
【００６２】
赤色レーザポイント光源４０、緑色レーザポイント光源４１及び青色レーザポイント光源４２が同時に指向性カラーフィルタ３に投影される場合、３つのレーザポイント光源により生成された３色の光に対して指向性カラーフィルタ３によってダイクロイックフィルタリングが行われ、３色の光が指向性機能構造層上のそれぞれの構造サブユニットに投影される。その後、３色の投射光は、指向性機能構造層内のナノメートル回折格子を介してそれぞれ回折され、カラー立体画像が空間内に表示されるようにすることができる。
【００６３】
本実施形態の液晶表示パネル５は、アレイ基板、対向基板、及びアレイ基板と対向基板の間に配置された液晶層を含む。アレイ基板は、液晶層と対向する側に複数の画素電極を含む。対向基板は、液晶層と対向する側に共通電極を有する。複数の画素電極、共通電極及び液晶層は、複数のサブ画素を形成する。さらに、アレイ基板は、画素電極と共通電極との間の電位差を調整することにより、サブ画素を透過する光の光束を調整するように構成された駆動回路をさらに含む。
【００６４】
さらに、駆動回路は、第１タイミングで左眼用画像を表示するための光を透過させるように、左眼用画像に対応するサブ画素を制御してもよく、第２タイミングで右眼用画像を表示するための光を透過させるように、右眼用画像に対応するサブ画素を制御してもよい。人の脳により、左眼用画像及び右眼用画像を重ね合わせて高解像度の３Ｄ画像を形成する。さらに、本実施形態の左眼用画像及び右眼用画像は、いずれもマルチビュー画像であり、任意の２つの連続する視角で３Ｄ表示効果を得ることができる。したがって、本実施形態の裸眼３Ｄディスプレイデバイスは、異なる観察距離で３Ｄ効果を確実に得ることができる。
【００６５】
さらに、液晶表示パネル５が視差のない平面画像を表示する場合、本実施形態の裸眼３Ｄディスプレイデバイスでは二次元の平面表示を実現することもできる。つまり、本実施形態の裸眼３Ｄディスプレイデバイスは、立体画像表示及び平面画像表示の間で切り替えることができる。駆動回路は、左眼用画像に対応するサブ画素及び右眼用画像に対応するサブ画素を同時に制御して平面画像を表示する。実際には、本開示による液晶表示パネル５の構造、駆動態様及び表示態様は、視覚疲労を生じさせずにマルチビュー裸眼３Ｄディスプレイデバイスを形成するように液晶表示パネルをレーザポイント光源及び指向性カラーフィルタと組み合わせることができる限り、これらに特に限定されるものではない。
【００６６】
実用的な観点から、液晶表示パネル５のサイズを５５インチ、観察距離を３ｍと仮定した場合、人の眼の解像度に見合った単一の画像における画素単位のサイズは８００μｍである。従来の技術では、２０μｍのサイズの画素単位の作製が可能であるため、理論的には１６００個の視点を投影することができ、リアリティのある立体画像が形成される。さらに、ナノメートル回折格子の周期を４３０ｎｍ以上とすることができ、視角を１５０°以上に拡大することができる。必要に応じて、格子方程式にしたがって、ナノメートル回折格子の周期を、４３０ｎｍから６５０ｎｍの範囲としてもよい。
【００６７】
具体的な実施態様において、指向性カラーフィルタ３のフィルタリングユニットが、赤色フィルタリングサブユニット、緑色フィルタリングサブユニット及び青色フィルタリングサブユニットを含むと仮定すると、赤色フィルタリングサブユニット、緑色フィルタリングサブユニット及び青色フィルタリングサブユニットの各々のサイズは、８０μｍ×２４０μｍにしてもよく、２４０μｍ×２４０μｍのフィルタリングユニットを構成する。指向性カラーフィルタ３が２個の視点を持つ場合、フィルタリングサブユニットのサイズは８０μｍ×１２０μｍとなる。指向性カラーフィルタ３が４個の視点を持つ場合、フィルタリングサブユニットのサイズは４０μｍ×１２０μｍとなる。さらに、指向性カラーフィルタ３が６個の視点を持つ場合、フィルタリングサブユニットのサイズは４０μｍ×６０μｍとなる。
【００６８】
観測視点の視野範囲は構造サブユニット内のナノメートル回折格子の分布範囲によって定められるので、ナノメートル回折格子の周期は、格子方程式にしたがって３００ｎｍ〜３μｍの範囲であってもよい。本開示では、構造サブユニット内のナノメートル回折格子の周期を３００ｎｍに設定することができ、異なる入射角での可視光に対するナノメートル回折格子の回折角は９０°にすることができる。したがって、理論的には、光照射野結像集光のための本開示の指向性カラーフィルタ３の開口数は１より大きく、対応する視点のフィールド角は１８０°に近づくことができ、実際には１５０°に達することができる。
【００６９】
指向性カラーフィルタ、レーザポイント光源及び液晶表示パネルを含む本開示の裸眼３Ｄディスプレイデバイスにおいて、指向性カラーフィルタは連続可変空間周波数ナノメートル回折格子アレイを含み、レーザポイント光源は、ビームエキスパンダ、赤色レーザデバイス、緑色レーザデバイス及び青色レーザデバイスを含む３色のためのレーザデバイスを含む。空間内に集光視点を形成するための指向性カラーフィルタ上のナノメートル回折格子を用いて、レーザポイント光源により出射された光に対して光照射野波面変換を行うことができ、複数の視角を有する画像を形成するための光源を提供するようにする。さらに、液晶表示パネル上の複数の視角の画像は空間的に分離され、複数の視角を有する画像に対応する複数の視点を形成し、画像間でクロストークが発生しない。したがって、ウィンドウ範囲で３Ｄ画像を観察する過程で視覚疲労が生じず、観察距離が制限されない。さらに、赤色、緑色及び青色のレーザポイント光源を含む単色波長の３つのレーザポイント光源が照明に用いられ、形成される３Ｄ画像に色滲みが生じないようになり、３Ｄ画像が大きな被写界深度及び広い色域を有するようになる。
【００７０】
本実施形態の裸眼３Ｄディスプレイデバイスは、指向性機能構造層のナノメートル回折格子に光が入射する前に対応するフィルタリングサブユニットにより光に対してダイクロイックフィルタリングを行い、同じナノメートル回折格子から２色の光が出射されないようにし、出射光のクロストークが抑制される。
【００７１】
さらに、本実施形態の裸眼３Ｄディスプレイデバイスは、レンズ又はプリズムといった高精度な構造で形成される必要がなく、指向性カラーフィルタが容易に実現される。したがって、指向性バックライト技術に基づいて無疲労のマルチビュー裸眼３Ｄディスプレイデバイスの実用化が可能となる。
【００７２】
本明細書の実施形態は、漸進的に記載されており、実施形態のそれぞれは、一実施形態及び他の実施形態の相違点を強調しており、各実施形態の同一又は類似の部分は相互に参照されることができるようになっている。当業者であれば、開示された実施形態に関する上記の記載に基づき、本開示を実施し、又は使用することができる。実施形態に様々な変形を加えることは当業者にとって明らかである。ここで定義される一般的原理は、本開示の要旨又は範囲を逸脱しない限り、他の実施形態に適用されてもよい。したがって、本開示は、ここで提示される実施形態に限定されず、ここで開示された原理及び新規の特徴と一致する最広の範囲により定義されるべきものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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